(57)【要約】【課題】電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性の良好なカーボンファイバー電子放出源、ＦＥＤ装置およびカーボンファイバー製造法を提供する。【解決手段】基板１８上に配置されたカソード電極１０と、カソード電極１０上に配置された第１絶縁膜１２と、第１絶縁膜１２上に配置されたゲート電極１４と、ゲート電極１４上に配置された第２絶縁膜２０と、第２絶縁膜２０およびゲート電極１４の開口部に、第１絶縁膜１２中にカソード電極１０表面まで到達して形成されたホール１１と、ホール１１の底面およびゲート電極１４の側面に形成された触媒微結晶核２９と、カソード電極１０上の触媒微結晶核２９上に形成されたエミッタカーボンファイバー４と、ゲート電極の側面上の触媒微結晶核２９上に形成されたゲートカーボンファイバー３とを備えるカーボンファイバー電子放出源、ＦＥＤ装置およびカーボンファイバー製造法。【選択図】図１
2010050032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置されたカソード電極と、
前記カソード電極上に配置された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜および前記ゲート電極の開口部に、前記第１絶縁膜中に前記カソード電極表面まで到達して形成されたホールと、
前記ホールの底面および前記ゲート電極の側面に形成された触媒微結晶核と、
前記カソード電極上の前記触媒微結晶核上に形成されたエミッタカーボンファイバーと、
前記ゲート電極の側面上の前記触媒微結晶核上に形成されたゲートカーボンファイバーと
を備えることを特徴とするカーボンファイバー電子放出源。
【請求項２】
前記ゲートカーボンファイバーは、前記エミッタカーボンファイバーからの電子引き出し電極となることを特徴とする請求項１に記載のカーボンファイバー電子放出源。
【請求項３】
前記第２絶縁膜の開口幅は、前記ゲート電極の開口幅よりも狭いことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンファイバー電子放出源。
【請求項４】
前記ゲートカーボンファイバーは、前記ゲート電極の側面からの横方向成長によって互いに接触して絡まり合い網目構造を形成すると共に、前記エミッタカーボンファイバーからの電子放出の指向性を増大することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のカーボンファイバー電子放出源。
【請求項５】
基板上に配置されたカソード電極と、
前記カソード電極上に配置された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極を中間にして前記カソード電極と反対側の前記ゲート電極の上方に配置されたアノード電極と、
前記ゲート電極上に配置された第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜および前記ゲート電極の開口部に、前記第１絶縁膜中に前記カソード電極表面まで到達して形成されたホールと、
前記ホールの底面および前記ゲート電極の側面に形成された触媒微結晶核と、
前記カソード電極上の前記触媒微結晶核上に形成されたエミッタカーボンファイバーと、
前記ゲート電極の側面上の前記触媒微結晶核上に形成されたゲートカーボンファイバーと、
前記アノード電極の前記カソード電極に対向する裏面上に配置された蛍光体と
を備えることを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ装置。
【請求項６】
前記ゲートカーボンファイバーは、前記エミッタカーボンファイバーからの電子引き出し電極となることを特徴とする請求項５に記載のフィールドエミッションディスプレイ装置。
【請求項７】
前記第２絶縁膜の開口幅は、前記ゲート電極の開口幅よりも狭いことを特徴とする請求項５または６に記載のフィールドエミッションディスプレイ装置。
【請求項８】
前記ゲートカーボンファイバーは、前記ゲート電極の側面からの横方向成長によって互いに接触して絡まり合い網目構造を形成すると共に、前記エミッタカーボンファイバーからの電子放出の指向性を増大することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のフィールドエミッションディスプレイ装置。
【請求項９】
基板上にカソード電極を形成する工程と、
前記カソード電極上に第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜および前記ゲート電極に開口部を形成後、前記第１絶縁膜中に前記カソード電極表面まで到達するホールを形成する工程と、
前記ホールの底面および前記ゲート電極の側面に触媒微結晶核を形成する工程と、
前記カソード電極上の前記触媒微結晶核上にエミッタカーボンファイバーを形成する工程と、
前記ゲート電極の側面上の前記触媒微結晶核上にゲートカーボンファイバーを形成する工程と
を有することを特徴とするカーボンファイバー製造法。
【請求項１０】
前記触媒微結晶核を形成する際、前記カソード電極および前記ゲート電極をメッキ槽内にて陰極として電着させる工程と、
前記メッキ槽に超音波を印加する工程と
を有することを特徴とする請求項９に記載のカーボンファイバー製造法。
【請求項１１】
前記エミッタカーボンファイバーを形成する工程と、前記ゲートカーボンファイバーを形成する工程は、同時に行われることを特徴とする請求項９または１０に記載のカーボンファイバー製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンファイバー電子放出源、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）装置およびカーボンファイバー製造法に関し、特にゲート電極の側面に制御用のゲートカーボンファイバーを用いたカーボンファイバー電子放出源、ＦＥＤ装置およびカーボンファイバー製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のカーボンファイバーの製造方法においては、レジストをマスクにしてホール内にスパッタリングによって、触媒が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、触媒スパッタ後レジストをリフトオフする必要がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
しかし、ホール径の微細化に伴うドライホール形成プロセスにおいてレジストが変性し、触媒スパッタ後レジストがリフトオフ出来ないという問題点がある。
【０００４】
ウェットホール形成ではレジストの変性は無いが、等方的にホールエッチングされ、１ドット内への詰め込みに限界がある。
【０００５】
又、微細な垂直ホールが形成されても、ホールのアスペクト比が大きくなり、触媒スパッタ時、ホール内壁への触媒付着がなされ、成長プロセスにて壁面からのカーボンファイバーの異常成長が生じるという問題点がある。
【０００６】
ウェットエッチングによって、ホール１１を形成した従来のカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的断面構造は、図１７に示すように表される。また、ドライエッチングによって、ホール１１を形成した従来のカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的断面構造は、図１８に示すように表される。
【０００７】
図１７に示すウェットホール構造では、エミッタカーボンファイバー４をゲート電極１４の近くまで成長させることでエミッタカーボンファイバー４からの良好な電子放出が得られる。しかし、エミッタカーボンファイバー４とゲート電極１４とのショートが生じると、ショート切断が困難であり、特に、エミッタカーボンファイバー４とゲート電極１４との間に通電しても、ショート切断が困難となる。
【０００８】
図１８に示すドライホール構造では、ゲート電極１４とエミッタカーボンファイバー４のショートは防げる。しかし、電子放出に寄与するエミッタカーボンファイバー４がホール１１端のエミッタカーボンファイバー４に限られるという問題点がる。すなわち、図１８に示すドライホール構造では、ゲート電極１４によるエミッタカーボンファイバー４からの電子放出の制御性が及ぶ範囲が、ゲート電極１４近傍のホール１１端のエミッタカーボンファイバー４に限定され、ホール１１の中央付近のエミッタカーボンファイバー４には及ばない。このため、全体として、エミッタカーボンファイバー４からの電子放出の電流密度が低下し、ゲート電極１４による制御性も低下する。
【０００９】
また、図１８に示すドライホール構造では、図１８に示すように、電子放出のエミッション角度が広くなりエミッション指向性が劣るという問題点がある。
【特許文献１】特開２００５−７２１７１号公報
【特許文献２】特開２００６−４０７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性が良好で、高出力電流密度のカーボンファイバー電子放出源を提供することにある。
【００１１】
さらに本発明の目的は、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性が良好で、高電流密度で高輝度、大容量かつ大画面を有するＦＥＤ装置を提供することにある。
【００１２】
さらに本発明の目的は、電界放出マトリックス電極を利用した選択的超音波触媒メッキ法を用いて、簡易かつ安価な方法で、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性の良好なカーボンファイバーを高密度かつ均一に形成可能なカーボンファイバー製造法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板上に配置されたカソード電極と、前記カソード電極上に配置された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜および前記ゲート電極の開口部に、前記第１絶縁膜中に前記カソード電極表面まで到達して形成されたホールと、前記ホールの底面および前記ゲート電極の側面に形成された触媒微結晶核と、前記カソード電極上の前記触媒微結晶核上に形成されたエミッタカーボンファイバーと、前記ゲート電極の側面上の前記触媒微結晶核上に形成されたゲートカーボンファイバーと、を備えるカーボンファイバー電子放出源が提供される。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、基板上に配置されたカソード電極と、前記カソード電極上に配置された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極を中間にして前記カソード電極と反対側の前記ゲート電極の上方に配置されたアノード電極と、前記ゲート電極上に配置された第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜および前記ゲート電極の開口部に、前記第１絶縁膜中に前記カソード電極表面まで到達して形成されたホールと、前記ホールの底面および前記ゲート電極の側面に形成された触媒微結晶核と、前記カソード電極上の前記触媒微結晶核上に形成されたエミッタカーボンファイバーと、前記ゲート電極の側面上の前記触媒微結晶核上に形成されたゲートカーボンファイバーと、前記アノード電極の前記カソード電極に対向する裏面上に配置された蛍光体とを備えるフィールドエミッションディスプレイ装置が提供される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、基板上にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極上に第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極上に第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２絶縁膜および前記ゲート電極に開口部を形成後、前記第１絶縁膜中に前記カソード電極表面まで到達するホールを形成する工程と、前記ホールの底面および前記ゲート電極の側面に触媒微結晶核を形成する工程と、前記カソード電極上の前記触媒微結晶核上にエミッタ用のカーボンファイバーを形成する工程と、前記ゲート電極の側面上の前記触媒微結晶核上に制御用のカーボンファイバーを形成する工程と、を有するカーボンファイバー製造法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性が良好で、高出力電流密度のカーボンファイバー電子放出源を提供することができる。
【００１７】
さらに本発明によれば、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性が良好で、高電流密度で高輝度、大容量かつ大画面を有するＦＥＤ装置を提供することができる。
【００１８】
さらに本発明によれば、電界放出マトリックス電極を利用した選択的超音波触媒メッキ法を用いて、簡易かつ安価な方法で、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性の良好なカーボンファイバーを高密度かつ均一に形成可能なカーボンファイバー製造法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２０】
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２１】
なお、以下の説明において、カーボンファイバーは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nano-Tube）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ：Carbon Nano-Fiber）と同義のものであるとして用いている。微細構造上は、ＣＮＴであっても、巨視的にはＣＮＦ形状を有するからである。
【００２２】
また、同様に、以下の説明において、カーボンファイバーは、グラファイトナノチューブ（ＧＮＴ：Graphite Nano-Tube）、グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ：Graphite Nano-Fiber）と同義のものであるとして用いている。微細構造上は、ＧＮＴであっても、巨視的にはＧＮＦ形状を有するからである。したがって、カーボンファイバーは、ＧＮＴで置換されていても良い。すなわち、ＣＮＦ、ＣＮＴの代わりに、グラファイトナノシートの形状を備えていても良い。
【００２３】
[第１の実施の形態]
（カーボンファイバー電子放出源）
本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的断面構造は、図１（ａ）に示すように表され、図１（ａ）に対応する模式的平面パターン構成は、図１（ｂ）に示すように表される。
【００２４】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源は、図１に示すように、基板１８上に配置されたカソード電極１０と、カソード電極１０上に配置された第１絶縁膜１２と、第１絶縁膜１２上に配置されたゲート電極１４と、ゲート電極１４上に配置された第２絶縁膜２０と、第２絶縁膜２０およびゲート電極１４の開口部に、第１絶縁膜１２中にカソード電極１０表面まで到達して形成されたホール１１と、ホール１１の底面およびゲート電極１４の側面に形成された触媒微結晶核２９と、カソード電極１０上の触媒微結晶核２９上に形成されたエミッタカーボンファイバー４と、ゲート電極１４の側面上の触媒微結晶核２９上に形成されたゲートカーボンファイバー３とを備える。
【００２５】
ゲートカーボンファイバー３は、エミッタカーボンファイバー４からの電子引き出し電極となる。
【００２６】
ゲートカーボンファイバー３は、ゲート電極１４の側面からの横方向成長によって互いに接触して絡まり合い網目構造を形成してもよい。この場合、エミッタカーボンファイバー４からの電子放出の指向性を増大することができる。
【００２７】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源は、図１に示すように、ゲート電極１４とエミッタカーボンファイバー４とのショートを防ぐために、ドライエッチングにより形成した側壁面が、略垂直構造のホール１１を備えている。
【００２８】
また、ゲート電極１４の側壁面上に形成されたゲートカーボンファイバー３を制御電極として利用し、エミッタカーボンファイバー４からの電子放出の指向性を有効に制御することができる。また、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ゲート電極１４の側壁面上に形成されたゲートカーボンファイバー３を横方向成長によって、開口部の略中央部まで延伸させることによって、エミッタカーボンファイバー４の内、ホール１１の中央部分のエミッタカーボンファイバー４からの電子放出も実効的に制御性を増大することができる。
【００２９】
また、第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源は、図１（ａ）に示すように、ゲートカーボンファイバー３を成長するためのガイドとして、第１絶縁膜１２および第２絶縁膜２０によって、ゲート電極１４が狭まれた構造を備える。第１絶縁膜１２および第２絶縁膜２０によって、ゲート電極１４が狭まれた構造において、凹部の部分にゲートカーボンファイバーを成長させるための触媒微結晶核２９をめっきにて選択的に形成することができる。
【００３０】
第１絶縁膜１２および第２絶縁膜２０によって、ゲート電極１４が狭まれた構造において、凹部の部分の寸法Ｗ1は、第１絶縁膜１２の厚さＷ2の１／２倍と略等しい。すなわち、Ｗ1≒Ｗ2／２が成立する。ここで、具体的な寸法としては、第１絶縁膜１２の厚さＷ2は、例えば、約１．５μｍ程度である。したがって、凹部の部分の寸法Ｗ1は、例えば、約０．７５μｍ程度である。
【００３１】
また、図１（ａ）に示すように、第２絶縁膜２０の開口幅Ｗ0は、ゲート電極１４の開口幅(Ｗ0＋２Ｗ1)よりも狭い。ここで、具体的な寸法としては、第２絶縁膜２０の開口幅Ｗ0は、例えば、約２μｍ程度である。ゲート電極１４の開口幅(Ｗ0＋２Ｗ1)は、例えば、約３．５μｍ程度である。
【００３２】
第１絶縁膜１２および第２絶縁膜２０は、いずれも例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、アルミナ膜などで形成可能である。
【００３３】
カソード電極１０およびゲート電極１４は、いずれも、例えば、Ｃｒなどで形成可能である。
【００３４】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的平面パターン構成は、図２に示すように表される。
【００３５】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源においては、図２に示すように、電界放出マトリックス電極構造において、ゲート電極１４とカソード電極１０との交差部に形成される１ドット内のホール１１の成形が複数個・高密度になされ、１ドットあたりの放出電流量が上昇する。１ドットあたりの放出電流量を上昇するためには、ドライエッチングによってホール１１を形成する場合の方が、ウェットエッチングによってホールを形成する場合よりも、ホール１１底へ触媒微結晶核２９の形成密度を高くすることができるため有利である。ゲート電極１４とカソード電極１０の交差部におけるドットあたりのホール１１をドライホール形成により高密度化することができ、この結果、放出電流密度の向上を図ることができる。
【００３６】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の別の模式的平面パターン構成例であって、図３（ａ）は、三角形パターン構成例、図３（ｂ）は、六角形パターン構成例、図３（ｃ）は、四角形パターン構成例をそれぞれ示す。図３（ａ）〜（ｃ）に示されるドライホールパターンをゲート電極１４とカソード電極１０の交差部に高密度に配置することで、放出電流密度の向上を図ることができる。
【００３７】
また、第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源においては、ゲート電極１４から横方向に成長されたゲートカーボンファイバー３とエミッタカーボンファイバー４間のショートが生じたとしても、ゲート電極１４とカソード電極１０間に所定の電流密度の電流を通電することによって、容易に開放状態とすることができる。
【００３８】
ゲートカーボンファイバー３をエミッタカーボンファイバー４からの電子放出の制御電極として利用することによって、ゲートカーボンファイバー３とエミッタカーボンファイバー４とのショートが生じても、直径の細いカーボンファイバー間のショートであるため、通電することによって、容易に切断しやすいためである。
【００３９】
また、第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源においては、ゲートカーボンファイバー３をメッシュ状の構成とすることによって、エミッタカーボンファイバー４からの電子放出の指向性制御が容易に向上可能となる。
【００４０】
本発明第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源によれば、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性が良好で、高出力電流密度のカーボンファイバー電子放出源を提供することができる。
【００４１】
（ＦＥＤ装置）
本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ装置は、図４に示すように、基板１８上に配置されたカソード電極１０と、カソード電極１０上に配置された第１絶縁膜１２と、第１絶縁膜１２上に配置されたゲート電極１４と、ゲート電極１４を中間にしてカソード電極１０と反対側のゲート電極１４の上方に配置されたアノード電極６と、ゲート電極１４上に配置された第２絶縁膜２０と、第２絶縁膜２０およびゲート電極１４の開口部に、第１絶縁膜１２中にカソード電極１０表面まで到達して形成されたホール１１と、ホール１１の底面およびゲート電極１４の側面に形成された触媒微結晶核２９と、カソード電極１０上の触媒微結晶核上に形成されたエミッタカーボンファイバーと、ゲート電極の側面上の前記触媒微結晶核上に形成されたゲートカーボンファイバーと、アノード電極の前記カソード電極に対向する裏面上に配置された蛍光体とを備える。
【００４２】
第１の実施の形態に係るＦＥＤ装置において、ゲートカーボンファイバーは、エミッタカーボンファイバーからの電子引き出し電極となる。
【００４３】
第１の実施の形態に係るＦＥＤ装置において、第２絶縁膜２０の開口幅Ｗ0は、ゲート電極１４の開口幅Ｗ0＋２Ｗ1よりも狭い。
【００４４】
第１絶縁膜１２および第２絶縁膜２０によって、ゲート電極１４が狭まれた構造において、凹部の部分の寸法Ｗ1は、第１絶縁膜１２の厚さＷ2の１／２倍と略等しい。すなわち、Ｗ1≒Ｗ2／２が成立する。ここで、具体的な寸法としては、第１絶縁膜１２の厚さＷ2は、例えば、約１．５μｍ程度である。したがって、凹部の部分の寸法Ｗ1は、例えば、約０．７５μｍ程度である。
【００４５】
また、第２絶縁膜２０の開口幅Ｗ0は、ゲート電極１４の開口幅(Ｗ0＋２Ｗ1)よりも狭い。ここで、具体的な寸法としては、第２絶縁膜２０の開口幅Ｗ0は、例えば、約２μｍ程度である。ゲート電極１４の開口幅(Ｗ0＋２Ｗ1)は、例えば、約３．５μｍ程度である。
【００４６】
ゲートカーボンファイバー３は、ゲート電極１４の側面からの横方向成長によって互いに接触して絡まり合い網目構造を形成してもよい。この場合、エミッタカーボンファイバー４からの電子放出の指向性を増大することができる。
【００４７】
第１の実施の形態に係るＦＥＤ装置は、図４に示すように、ゲート電極１４とエミッタカーボンファイバー４とのショートを防ぐために、ドライエッチングにより形成した、側壁面が略垂直構造のホール１１を備えている。
【００４８】
また、ゲート電極１４の側壁面上に形成されたゲートカーボンファイバー３を制御用のゲート電極として利用し、エミッタカーボンファイバー４からの電子放出の指向性を有効に制御することができる。また、図４に示すように、ゲート電極１４の側壁面上に形成されたゲートカーボンファイバー３を横方向成長によって、開口部の略中央部まで延伸させることによって、カソード電極１０から成長したエミッタカーボンファイバー４の内、ホール１１の中央部分のエミッタカーボンファイバー４からの電子放出も実効的に制御性を増大することができる。
【００４９】
また、第１の実施の形態に係るＦＥＤ装置は、図４に示すように、ゲートカーボンファイバー３を成長するためのガイドとして、第１絶縁膜１２および第２絶縁膜２０によって、ゲート電極１４が狭まれた構造を備える。第１絶縁膜１２および第２絶縁膜２０によって、ゲート電極１４が狭まれた構造において、凹部の部分にゲートカーボンファイバーを成長させるための触媒微結晶核２９をめっきにて選択的に形成することができる。
【００５０】
アノード電極６とカソード電極１０間には、アノード電極６を正電位、カソード電極１０を負電位とするアノード電源Ｖaが印加され、アノード電極６とカソード電極１０間には電子の加速電圧が与えられている。また、ゲート電極１４とカソード電極１０間には、ゲート電極１４を正電位、カソード電極１０を負電位とするゲート電源Ｖgが印加され、ゲート電極１４とカソード電極１０間には、エミッタカーボンファイバー４からの電子の引出し電圧が与えられている。ゲート電極１４とカソード電極１０間に印加されたゲート電源Ｖgによってエミッタカーボンファイバー４から引き出された（出射された）電子は、アノード電極６とカソード電極１０間の加速電圧によって、アノード電極６に到達し、アノード電極６の裏面上の蛍光体５に入射して、所望の蛍光発光を放出する。アノード電極６とカソード電極１０間は、例えば約数μｍ以下であり、しかも真空に保たれている。
【００５１】
本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ装置によれば、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性が良好で、高電流密度で高輝度、大容量かつ大画面を有するＦＥＤ装置を提供することができる。
【００５２】
（カーボンファイバー製造法）
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法について、図５〜図１３を用いて説明する。
【００５３】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法は、ドライエッチングによる微細ホールの形成工程と、超音波触媒メッキ工程と、カーボンファイバーの成長工程とを有する。ドライエッチングによる微細ホール形成工程は、図５〜図１０に示され、超音波触媒メッキ工程は、図１１および図１２に示され、カーボンファイバーの成長工程は、図１３に示されている。第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法による実験結果は、図１４〜図１６に示す通りである。
【００５４】
本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法は、図５〜図１３に示すように、基板１８上にカソード電極１０を形成する工程と、カソード電極１０上に第１絶縁膜１２を形成する工程と、第１絶縁膜１２上にゲート電極１４を形成する工程と、ゲート電極１４上に第２絶縁膜２０を形成する工程と、第２絶縁膜２０およびゲート電極１４に開口部を形成後、第１絶縁膜１２中にカソード電極１０表面まで到達するホール１１を形成する工程と、ホール１１の底面およびゲート電極１４の側面に触媒微結晶核２９を形成する工程と、カソード電極１０上の触媒微結晶核２９上にエミッタカーボンファイバー４を形成する工程と、ゲート電極１４の側面上の触媒微結晶核２９上にゲートカーボンファイバー３を形成する工程とを有する。
【００５５】
触媒微結晶核２９を形成する際、カソード電極１０およびゲート電極１４をメッキ槽３４内にて陰極として電着させる工程と、さらにメッキ槽３４に超音波を印加する工程とを有する。
【００５６】
エミッタカーボンファイバー４を形成する工程と、ゲートカーボンファイバー３を形成する工程は、同時に行われても良い。この場合には、プロセス時間の短縮を図ることができる。
【００５７】
本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法においては、ドライエッチングにより、微細なホール１１を形成した後に、酸素アッシングによってレジスト１６（図９）を取り去った基板のゲート電極１４およびをカソード電極１０を陰極、対向電極３０を陽極にして、メッキ槽３４中において、ホール１１の底面上およびゲート電極１４の側面上に触媒微結晶核２９を電着させる。メッキ時、微細なホール１１内へメッキ用の電解液３３を導入させるために、超音波を印加しながらメッキ電着を行う。これによって、泡がみを防ぐことができる。
【００５８】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法においては、リフトオフが困難なドライホールであっても、容易にホール底へ触媒微結晶核２９を形成することができる。特に、ホールのアスペクト比が高い場合にも容易にホール底へ触媒微結晶核２９を形成することができる。
【００５９】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法のように、触媒メッキ技術に超音波技術を付加することによって、例えば、約１０ｎｍφ程度の細いエミッタカーボンファイバー４およびゲートカーボンファイバー３のみが成長し、副生成物であるアモルフォスカーボンの析出は見られなくなり、ファイバーの品質（純度）が向上する。また、カソード電極１０およびゲート電極１４の他に、陽極となる対向電極３０を積極的に配置することで、カソード電極１０およびゲート電極１４に触媒微結晶核２９が電着される。
【００６０】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法においては、高価な触媒スパッタ装置を利用することなく、装置構成が簡易な超音波触媒メッキ法を用いることで安価に、均一化されかつ微細なＣＮＦを形成することができる。
【００６１】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法においては、成長させたい導体基板上において、意図する場所のみに電流が流れるように、超音波触媒メッキを行うことによって、その部分全体に電着され、その部分のみにカーボンファイバーを成長することができる。
【００６２】
また、第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法においては、均一な太さ、長さで、高純度のカーボンファイバーの量産方法を提供することができる。
【００６３】
又、第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法によれば、酸化した触媒金属からはカーボンファイバーは成長するという選択性を利用することができる。
【００６４】
（ドライエッチングによる微細ホールの形成工程）
（ａ）まず、図５に示すように、ガラス基板、ＳｉＯ2基板、シリコン基板などからなる基板１８を準備する。
【００６５】
（ｂ）次に、図５に示すように、カソード電極１０をスパッタリング技術などを用いて形成する。カソード電極１０の材料としては、例えば、Ｃｒ,Ｍｏなどを用いることができる。
【００６６】
（ｃ）次に、レジストを塗布後、カソード電極１０のストライプ形状を形成するために、フォトリソグラフィー工程によって、レジストを、パターニングする（図示省略）。
【００６７】
（ｄ）次に、リフトオフ工程によって、カソード電極１０のストライプ形状をエッチングにより形成する（図示省略）。
【００６８】
（ｅ）次に、図５に示すように、第１絶縁膜１２をカソード電極１０のストライプパターン上および露出した基板１８上に堆積する。第１絶縁膜１２の材料としては、例えば、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法によって形成したＣＶＤＳｉＯ2膜などを用いることができる。
【００６９】
（ｆ）次に、図５に示すように、ゲート電極１４を、スパッタリング技術若しくは蒸着技術などを用いて形成する。ゲート電極１４の材料としては、例えばＣｒ,Ｍｏなどを用いることができる。
【００７０】
（ｇ）次に、レジストを塗布後、ゲート電極１４のストライプ形状を形成するために、フォトリソグラフィー工程によって、レジストを、パターニングする（図示省略）。
【００７１】
（ｈ）次に、リフトオフ工程によって、ゲート電極１４のストライプ形状をエッチングにより形成する（図示省略）。
【００７２】
（ｉ）次に、図５に示すように、第２絶縁膜２０をゲート電極１４のストライプパターン上および露出した第１絶縁膜１２上に堆積する。第２絶縁膜２０の材料としては、例えば、ＣＶＤＳｉＯ2膜などを用いることができる。
【００７３】
（ｊ）次に、図５および図６に示すように、レジスト１６を塗布後、フォトリソグラフィー工程によって、レジスト１６をパターニングして、ホール１１を形成するためのドライエッチングパターンを形成する。これによって、エッチング用レジストホールを形成する。
【００７４】
（ｋ）次に、図７に示すように、エッチング用レジストホールを介して、第２絶縁膜２０をドライエッチングによって除去する。
【００７５】
（ｌ）次に、図８に示すように、ウェットエッチングによって、ゲート電極１４を横方向にエッチングによって、凹型形状に掘り込む。
【００７６】
（ｍ）次に、図９に示すように、第１絶縁膜１２をドライエッチングによって、カソード電極１０の表面が露出するまで掘り込む。上記ドライエッチング技術は、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）技術などを用いることができる。
【００７７】
（ｎ）次に、図１０に示すように、アッシングによって、レジスト１６を除去する。
【００７８】
（ｏ）次に、図１１および図１２に示すように、後述する超音波触媒メッキ工程によって、触媒微結晶核２９をホール１１内のカソード電極１０の表面上およびゲート電極１４の側面上に形成する。
【００７９】
（ｐ）次に、図１３に示すように、後述するカーボンファイバーの成長工程によって、触媒微結晶核２９上にゲートカーボンファイバー３およびエミッタカーボンファイバー４を形成する。
【００８０】
（超音波触媒メッキ工程）
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法に用いる超音波触媒メッキ装置の模式的概略構成は、図１１に示すように表される。
【００８１】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法に用いる超音波触媒メッキ装置は、図１１に示すように、水を収納した超音波槽（図示省略）と、超音波槽内に収容され,電解液３３を収納したメッキ槽３４と、超音波槽の内壁とメッキ槽３４の外壁間を接続し,超音波槽内においてメッキ槽３４を保持する保持台と、メッキ槽３４内の電解液３３に浸漬され,互いに交差する複数のゲート電極１４と複数のカソード電極１０からなる電界放出マトリックス電極構造および対向電極３０とを備える。
【００８２】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法に用いる超音波触媒メッキ法においては、ゲート電極１４およびカソード電極１０を共通陰極とし、対向電極３０を陽極として構成し、対向電極３０とゲート電極１４およびカソード電極１０間には、ゲート電極１４およびカソード電極１０を負の電位、対向電極３０を正の電位とする電圧が印加されている。
【００８３】
―イオン化傾向―
ここで、ゲート電極１４に使用する電極材料としては、もしも、触媒金属として、Ｆｅを利用するならば、Ｆｅよりもイオン化傾向の大きいＣｒなどの金属を使用する。電解液３３中に溶けた金属イオンが、ゲート電極１４およびカソード電極１０に優先的に析出されないようにするためである。
【００８４】
イオン化傾向は、Ｋ＞Ｎａ＞Ｓｒ＞Ｃａ＞Ｍｇ＞Ａｌ＞Ｃｅ＞Ｃｒ＞Ｍｎ＞Ｚｎ＞Ｃｄ＞Ｆｅ＞Ｃｏ＞Ｎｉ＞Ｓｎ＞Ｐｂ＞（Ｈ）＞Ｇｅ＞Ｉｎ＞Ｓｂ＞Ｂｉ＞Ｃｕ＞Ｈｇ＞Ａｇ＞Ｐｔ＞Ａｕ＞Ｓｉ＞Ｔｉ＞Ｃ＞Ｗ＞Ｍｏ＞Ｓｅで表される。
【００８５】
したがって、ゲート電極１４およびカソード電極１０に使用する電極材料としては、もしも、触媒金属として、Ｆｅを利用するならば、Ｆｅよりもイオン化傾向の大きい、例えば、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｄなどの金属材料を適用する。
【００８６】
電解液３３に溶かし込む触媒金属塩としては、例えば、Ｆｅイオンであるならば、ＦｅＣｌ2・４Ｈ2Ｏ，ＦｅＣｌ3・６Ｈ2Ｏ,Ｆｅ(ＳＯ4)・７Ｈ2Ｏ，Ｆｅ(ＮＨ4)2(ＳＯ4)・６Ｈ2Ｏなどを用いることができる。
【００８７】
Ｃｏイオンであるならば、ＣｏＳＯ4・７Ｈ2Ｏ，ＣｕＳＯ4(ＮＨ)2 ・６Ｈ2Ｏ,ＣｏＣｌ2 ・６Ｈ2Ｏなどを用いることができる。
【００８８】
Ｎｉイオンあるならば、ＮｉＯ，ＮｉＳＯ4・７Ｈ2Ｏ,ＮｉＣｌ2・６Ｈ2Ｏ，ＮｉＳＯ4(ＮＨ4) ＳＯ4・６Ｈ2Ｏなどを用いることができる。
【００８９】
なお、塩化物を含むものはゲート電極１４およびカソード電極１０において塩素ガスを放出する点に留意する必要がある。
【００９０】
（カーボンファイバーの成長工程）
メッキ後の基板１８に対してはアセトン、アルコール洗浄を行い、残留メッキイオン成分を取り除く。カーボンファイバーの成長装置としては、例えば、熱ＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置を使用することができる。成長ガスとしては、例えば、ＣＨ4，Ｃ2Ｈ2，ＣＯ,メタノール，エタノールなどを適用することができる。担持ガスとしては、例えば、Ａｒ, Ｈ2，Ｈｅなどを適用することができる。成長温度は、例えば、約４５０℃〜８００℃程度の広い範囲を用いることができる。基板１８として、ガラス基板を使用する場合には、成長温度は、例えば、約６５０℃程度以下とする。成長時間は、例えば、約５分〜１２０分程度である。成長時間は、成長温度、ガス種、触媒によって多種多様である。
【００９１】
カーボンファイバーの成長工程では、例えば約５８０℃で、１０分〜３０分程度、例えばＣＯ／Ｈ2ガスを導入して、ゲートカーボンファイバー３およびエミッタカーボンファイバー４を成長する。
【００９２】
第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法においては、図１２〜図１３に示すように、メッキによって被膜された触媒微結晶核２９が、ホール１１内のカソード電極１０上およびゲート電極１４の側面上に成長し、その上に直接エミッタカーボンファイバー４およびゲートカーボンファイバー３が成長している。
【００９３】
ここでは、酸化した触媒金属（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ）からはカーボンファイバーが成長するという選択性を利用している。例えば、Ｆｅ2Ｏ3, ＦｅＯ, ＮｉＯ, Ｃｏ2Ｏ3, ＣｏＯが還元されて、結果として、触媒金属が酸化されていたとしても、Ｆｅ, Ｃｏ, Ｎｉが生じることで、酸化した触媒金属からは、カーボンファイバーが成長する。
【００９４】
（実験結果）
ゲート電極１４の側面にゲートカーボンファイバー３、カソード電極１０の表面にエミッタカーボンファイバー４を形成した第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の拡大された断面ＳＥＭ写真を図１４に示す。また、図１４のゲート電極１４近傍の拡大された断面ＳＥＭ写真を図１５に示す。また、図１４のゲート電極１４近傍の別の拡大された断面ＳＥＭ写真を図１６に示す。図１４〜図１６から明らかなように、ゲート電極１４の側面にゲートカーボンファイバー３、カソード電極１０の表面にエミッタカーボンファイバー４が形成されている。
【００９５】
本発明の第１の実施の形態によれば、電界放出マトリックス電極を利用した選択的超音波触媒メッキ法を用いて、簡易かつ安価な方法で、電子放出の指向性が優れ、ゲート電位による制御性の良好なカーボンファイバーを高密度かつ均一に形成可能なカーボンファイバー製造法を提供することができる。
【００９６】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００９７】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明によれば、製造されたカーボンファイバーを適用して電子放出源（ディスプレイ用、センサー用線発生源用）に適用可能であり、また、電子銃およびＦＥＤ装置を提供することができ、さらに電子線描画装置、カーボンファイバーを利用するナノ配線、電気２重層キャパシターのカーボン電極部、燃料電池用カーボン電極部、ガスセンサの気体吸着用カーボンなど幅広い分野において適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的断面構造図、（ｂ）（ａ）に対応する模式的平面パターン構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的平面パターン構成図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の別の模式的平面パターン構成例であって、（ａ）三角形パターン構成例、（ｂ）六角形パターン構成例、（ｃ）四角形パターン構成例。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るＣＮＴ−ＦＥＤ装置の模式的断面構造図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法に適用する選択的超音波触媒メッキ法の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー製造法の製造工程の一工程を説明する模式的断面構造図。
【図１４】ゲート電極の側面にゲートカーボンファイバー、カソード電極の表面にエミッタカーボンファイバーを形成した本発明の第１の実施の形態に係るカーボンファイバー電子放出源の拡大された断面ＳＥＭ写真。
【図１５】図１４のゲート電極近傍の拡大された断面ＳＥＭ写真。
【図１６】図１４のゲート電極近傍の別の拡大された断面ＳＥＭ写真。
【図１７】従来のカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的断面構造図。
【図１８】従来の別のカーボンファイバー電子放出源の拡大された模式的断面構造図。
【符号の説明】
【０１００】
３…ゲートカーボンファイバー
４…エミッタカーボンファイバー
５…蛍光体
６…アノード電極
７…ガラス基板
８…アノード電源（Ｖa）
９…ゲート電源（Ｖg）
１０…カソード電極
１１…ホール
１２…第１絶縁膜
１４…ゲート電極
１６…レジスト
１８…基板
２０…第２絶縁膜
２９…触媒微結晶核
３０…対向電極
３３…電解液
３４…メッキ槽
【図１】
2010050032.tif 000003
【図２】
2010050032.tif 000004
【図３】
2010050032.tif 000005
【図４】
2010050032.tif 000006
【図５】
2010050032.tif 000007
【図６】
2010050032.tif 000008
【図７】
2010050032.tif 000009
【図８】
2010050032.tif 000010
【図９】
2010050032.tif 000011
【図１０】
2010050032.tif 000012
【図１１】
2010050032.tif 000013
【図１２】
2010050032.tif 000014
【図１７】
2010050032.tif 000015
【図１８】
2010050032.tif 000016
【図１３】
2010050032.tif 000017
【図１４】
2010050032.tif 000018
【図１５】
2010050032.tif 000019
【図１６】
2010050032.tif 000020